電機的結構特點之一就是定子磁極由永磁材料組成,磁性材料性能的優劣,直接影響到電機磁路尺寸,電機體積以及功能指標和運動特性。永磁材料又稱硬磁材料,主要特征是矯頑力(Coercive Force)大、剩磁(Residual Flux Density) 高,永磁材料經飽和磁化后去掉外磁場仍能長時間保持穩定的磁性,給永磁電機勵磁,在氣隙中建立恒穩磁場。
剩磁 Br、矯頑力 Hcb
永磁體磁化到飽和后,把外磁場的磁場強度(Magnetic Field Intensity) H逐步減小到零,永磁體的磁感應強度(Magnet Flux Density) B由Bs退到Br,Br稱為剩磁。反向加磁場使Br降到零, 此時的反向磁場強度的絕對值稱為磁感應矯頑力,簡稱矯頑力(CoerciveForce)Hcb,見下圖。連續緩慢地改變外磁場的磁場強度一個循環周期,形成的B-H閉合磁化曲線稱為磁滯回線 (Magnetic hysteresis loop),位于第二象限內的磁滯回線即為去磁曲線(DemagnetizationCurve),它是永磁材料的基本特性曲線,表征永磁材料品質的重要依據。
內稟矯頑力Hcj
在真空中,磁場強度H與磁感應強度B 的關系為 :B=0H ,在磁性材料中,則為:B=0M + 0H,式中,M為磁化強度(Magnetization Intensity) 單位為 A/m),是表示永磁材料磁化程度的一個重要物理量。0(=4πx10-7 H/m)為真空磁導率(Permeability of Vacuum)。
由于第二象限內磁化磁場強度H值為負值,為了方便起見,不妨將H坐標反向,使H定義為去磁磁場強度,為正值,則式 應改寫成:B=0M0H,式中表明:當H=0時,B=Br=0M;當H=Hcb時,B=0,M=Hcb為正值并未退到零。要使M退到零,還要把去磁磁場強度H繼續增大直到Hcj,見下圖,曲線Bj=B+0H稱為內稟去磁曲線(Intrinsic Demagnetization Curve),Bj是永磁材料磁化后內在的磁感應強度即內稟磁感應強度,Hcj稱為內稟矯頑力。
回復磁導率r
永磁體磁化后去掉外磁場,磁密是Br,在去磁場強作用下,磁密沿去磁曲線下降到某一點,例如上圖中的K點,然后減小去磁作用直到場強H=0,但磁密并不按去磁曲線回到Br,而是到一個較低的點,例如M點,以后再加去磁場強到Hk,磁密將沿著新的曲線到K點,形成一個局部小回環。由于局部回環的面積很小,可以近似地用直線KM表示,KM稱為回復線(Recoil Line)。回復線的斜率稱為回復磁導率(Recoil permeability ) r,它近似地等于去磁曲線上Br處的斜率,即回復線與去磁曲線上Br處的切線平行。r是永磁材料動態工作時的重要參數,當r較小時,永磁材料有較好的動態性能。
最大磁能積(BH)max
由于永磁磁路不同,因而材料所處的工作點不同,材料單位體積向氣隙提供的磁能與此材料工作點上的磁密B與去磁場強H的乘積成正比,即:W = BH …(J/m3),由式可知,當B=Br時,H=0,W=0;當H=Hcb時,B=0,W=0。能量最大的D點(BdHd)乘積最大,稱為最大磁能積(BH)max,這一點是永磁鐵的最佳工作點(見下圖),對于永磁鐵氧體,B=f(H)去磁曲線一般為直線,磁感應強度可寫成:B=Br-0rH, 當H=Hcb時,B=0,代入式:
因B=f(H)為直線,(BH)max的值位于直線的中點, 故
磁感應溫度系數ab、居里點Tc
磁感應溫度系數(Temp. Coefficient of Br)ab,居里點(Curie Temp.)Tc是指在工作溫度范圍(一般是–40°C~+80°C)內剩磁Br隨溫度可逆變化的系數:
式中B1、B2分別是溫度為t1、t2時的磁感應強度。
永磁材料的磁感應強度隨溫度升高而降低,因此ab是負值,當溫度升高到一定值時,飽和磁感應強度Bs下降為零,失去永磁材料的基本特性,這個溫度稱為居里點Tc(或居里溫度)。溫度系數ab值越小,永磁材料的溫度穩定性越好;居里點Tc高,允許的使用溫度也高。
各向同性 與各向異性
由于制造工藝不同,永磁材料有各向同性(Isotropy)和各向異性(Anisotropy)之分,各向同性永磁體內不同晶粒的易磁化軸是紊亂取向的,因而剩磁Br較低,只有飽和磁感應強度Bs的二分之一左右,相應地最大磁能積(BH)max也較小。各向異性永磁體是采用磁場成型再燒結 (或壓延),其晶粒的易磁化軸沿成型磁場方向排列一致,Br接近Bs,從而使Br比各向同性約提高一倍,對于鐵氧體(BH)max.將近提高四倍。因此, 電機磁鐵通常采用各向異性材料。
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原文標題:干貨 | 永磁材料的特性有哪些,它們影響電機的哪些性能?
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